4.1对现有合金不断调整成分、改进热处理制度并发展新品种
近年来涡轮盘材料和叶片用高温合金一样,发展很快,特别是采用真空冶炼之后,提高了质量,提高了合金化程度,加速了发展历程。如美国在四十年代初期发展的温加工奥氏体合金16一25一6早已被7`强化的A一286和V一57取代,六十年代又代之以nIcenl718和Ren695,进入七十年代出现高强度、易切削的nIcenl706,强度更高、性能更好的新品种还在不断涌现,如最近美国发展一种涡轮盘新合金印的,其760“C下的。。为129。5公斤/毫米2,63公斤/毫米“下持久时间大于500小时,成分极其复杂,为。90C,9。0Cr,7。65W,7。0Ta,4。5AI,2。0M,0。75Ti,05V,1。Hf,0。12C,0刀IB,0。IZr,余为Ni。但是,现代合金的发展和过去有所不同,就是经过对已有合金的使用和研究,对高温合金合金化的规律有了一定的了解,从而对发展合金有指导作用。这样,就逐渐摆脱了过去那种基本上处于“配方”或“炒菜”式的状态。如前面所说的为了提高合金中温的屈服强度,尽量加大两相间的错配度,而提高合金在高温下的稳定性则使错配度接近于零。为了避免合金中出现脆性相,利用合金中的平均电子空位数来设计成分及生产中控制成分上下限〔74一“。〕。此外,由于对每种合金元素的作用比较清楚了,有可能在合金的设计过程中,采用电子计算机使合金的成分更加准确合理。
但是近年来最重要的趋势是对于现有合金的成分不断进行调整,工艺不断改进,以提高合金的性能和延长使用寿命。如镍基合金Waspaly是pra`t一whitney公司1950年第一个变形合金,目前有不少
发动机用它作涡轮盘材料,它便是经历过多次改进而提高的。如在1951年采用非真空冶炼,强度指标为在815C、19。25公斤/毫米2条件下的持久时间乡23小时。后来由于冶炼技术的提高,其持久强度由19。25改为2。75公斤/毫米2。1954年采用真空冶炼以后,在815C时的持久强度为2。625公斤/毫米“、乡40小时,同时并规定了持久塑性乡5%,随后又提高到28公斤/毫米“、乡5小时和乡10%。在发现硼、错对高温合金的高温强度有好的作用以后,又加入了这些微量元素,使持久时间改为乡75小时`1963年对成分进行调整,性能指标改为815C、32。25公斤/毫米2下持久时间多23小时,持久延伸率乡8%。其主要变化是铂和钦分别提高了1一1。5%及0。5%左右,且杂质的控制更严格了,成分上下限更窄了。通过工艺的改进和成分的调整,使合金在815C下的持久强度提高了65%,而性能更加稳定了(标志在对持久塑性的规定)。
国外许多合金都是这样,根据长期生产和使用实践,再加上新工艺新技术的采用,对成分进行调整,以不断提高合金的性能,这样做不但工作基础比较扎实,而且对材料的管理和返回料的应用都有好处。此外,热处理也是不断在改进,如V一57在使用过程中曾出现过桦槽裂纹,认为这是缺口敏感造成的,在热处理中加上一次810一83印C的中间处理以后,改变了晶界碳化物的分布,使缺点得到克服。D一979也只是改进了热处理制度,使丫分布更加细小均匀,晶界析出了#相,不但提高了。。。2,持久和大应力疲劳性能也显著得到改善〔72〕。最近对nIcn。
l了18系统的研究则是又一个例证〔81一84〕。合金性能每得到一次提高,技术条件就必须相应地加以修订,这样才能促使改善后的性能为设计工作者所采用,在生产实际中收到实效。根据近年来的实践,使入们认识到:对现有合金的成分进行调整,对热处理制度进行严格控制,以及尽可能采用先进的生产工艺,力求一种合金能适合多种用途,比从头开始来发展新合金的效果要好得多,快得多。4。2当前改进盘材合金以发展新工艺为重点(1)采用先进冶炼工艺:真空熔炼技术的发展是高温合金冶炼工艺的一个新阶段,以美国为例,1969年真空自耗熔炼设备年产量有20多万吨,真空感应炉最大容量从1961年的6吨发展到1968年的60吨,近来向更大容量和半连续操作发展〔85〕。真空熔炼的优越性有:1。严格控制活泼元素如铝、钦、妮、铬、硼、铅、稀土等的成分范围,缩小合金性能的波动幅度,使合金性能的下限提高,充分发挥合金的能力。如在六吨感应炉真空熔炼nI。。en1718,统计10炉生产中各活泼元素的波动范围〔86〕,得出妮和铝的波动几乎在分析误差范围之内。而这种合金中锭含量每增加0。1%,可以提高屈服强度约1公斤/毫米’,在常压下冶炼就很难保证。又如V一57的最佳综合性能只有在硅<0。2%、碳在0。04一0。08%间才能得到〔7〕,范围如此严格,只有采用真空。真空冶炼还有利于应用返回料,而且有的比新料更好,如nIly901和A一286经二次重熔后,不但强度提高,塑性也改善〔“7〕。2。有利于气体和夹
杂物的排除或分解。真空熔炼可以用碳脱氧,因为在真空下,碳的脱氧能力提高几个数量级。在真空感应炉熔炼镍基合金的研究结果〔8〕表明,真空度只是10一“毫米汞柱,而合金中的氧含量很容易降到百万分之二十以下。真空自耗重熔A一286和Wa印aly前后的气体含量对比〔8的,重熔前的氢、氧、氮含量为重熔后的几倍到十几倍。碳在真空下脱氧能力的提高,许多氧化物如5102、Fe等都被还原,因而夹杂含量大为降低。同时,真空熔炼也改善夹杂物的分布,如一种1铬型抗蠕变钢经真空冶炼后,夹杂物变得细小而分散,量也大为减少〔9。〕,对含钦、妮等与氮亲合力较大的合金,采用真空熔炼和真空浇铸,可以避免氮化物成为夹层或细晶带。3。有利于除去有害杂质。例如有一种变形镍基合金〔91〕,成分为。02C,20C,5M0,1。STi,4。SAI,0。05Zr,0。003B,真空熔炼前后的铅含量变化由5降到 上的铝和钦时,锭的开坯不能采用自由锻造,改用真空冶炼后,即使铝钦含量高达9%,也可以加工。而且真空冶炼的合金,成材率也高。为了改善锭的结晶状态和降低合金元素的偏析,在采用真空感应炉熔炼的同时,必须进行一次真空自耗或电渣重熔。表6列出合金钢在不同冶炼制度下的各项质量指标〔92〕。对高温合金来说,由于含有更多的活泼元素,脱氧、脱氮都更加困难,尤以脱氮为甚〔93〕。由于真空冶炼具有明显的优越性,所以在一些国家,合金中铝钦含量在l%者,多采用真空冶炼印4〕 电渣重熔工艺各国也日益发展,美国预计1975年有半数高温合金生产用真空感应加电渣重熔,即所谓双联制度〔95〕。美国一家公司〔”6〕生产HasetHyX板材合金,对真空感应或加电渣重熔,或加自耗重熔后,比较夹杂物情况,发现电渣重熔可以明显地减少合金中夹杂物含量。通过电渣重熔可以铸成各种形状的锭,设备简单,投资较少,并适宜于中小企业。生产的合金机械性能提高,炉与炉间差异缩小,高温塑性提高,良好塑性温度范围扩大,有利于压力加工,成材率从而大为提高。但是,电渣重熔高温合金对其中活泼元素如铝、钦等有烧失,不易控制,使同锭上下成分不均匀,如含钦4%左右的情况,成分偏差可达0。5%以上。几种涡轮盘合金电渣重熔前后的铝、钦含量变化结果〔97〕表明,活泼元素铝含量较高时,钦烧失较少,随着铝含量降低,钦烧失增多,如Icnly901和A一286含铝少(0。15%),电渣重熔过程中从渣中还原氧化铝,使合金中铝含量增多。因